論智能船舶內涵及分級

李 路

（上海船舶研究設計院 上海 201203）

0 引 言

當前，全球正在經歷第四次工業革命，這是利用數字化技術促進產業變革的時代，也是繼蒸汽機、電氣化和信息化以后，全球工業全面智能化升級的時代。

自21 世紀以來，包括中國在內的世界主要造船大國先后開始了智能船舶的研制，近期也相繼在智能船舶領域加大加快推進戰略布局，旨在搶占這一未來技術高地，獲得“自主船”時代發展先機[1]。韓國更是在其《韓國造船再騰飛戰略》中提出，到2030 年韓國造船業將在自主航行船舶領域爭取50%的全球市場占有率，守住造船業全球第1 的位置[2]。同時，國際海事組織（international maritime organization，IMO）自2018 年第99 次會議之后，便開始海上水面自主船（maritime autonomous surface ships，MASS）規則的立法工作，并在2022 年第105 次會議上通過了推動MASS 發展的路線圖，目標是到2024 年底通過非強制性的MASS 規則，并計劃于2028 年1 月1 日強制生效。

船舶工業作為傳統工業的重要組成部分，面臨著國際法規和國外產業競爭的雙重壓力。中國要想在全球競爭中脫穎而出，實現將船舶工業做強、做優和做大的目標，進而獲得新的發展動能，船舶智能化轉型升級已勢在必行。

1 智能船舶內涵

目前對工業4.0 的普遍認識為：其是1 套應用于工業的技術，將機器、產品和服務連接起來，通過收集和分析數據，建立靈活、快速和高效的流程，以生產價廉物美的產品。在該范圍內考慮的最相關技術便是物聯網、云計算、網絡安全、增強和虛擬現實、增材制造、自主機器人、仿真和區塊鏈等。[3]

然而，與汽車、航空、航天等其他行業相比，船舶的智能化進展卻略顯緩慢，這是因為船舶領域有其自身的特點和難點，主要體現在以下幾個方面：

（1）系統復雜度高

船舶系統涉及的專業廣，囊括總體、結構、舾裝、輪機、電氣這5 大專業，并可進一步細分為幾十個小專業。同時，船舶系統及零件數量也十分龐大。以國產首艘豪華郵輪愛達·魔都號為例，其零件數量就達到千萬級別，是飛機的數十倍、汽車的數百倍。全船包含了136 套系統、2 萬余套設備、2 500 萬個零件，還擁有長度分別為4 200 km 的電纜、350 km 的管系和450 km 的風管等。[4]

（2）標準化程度低

船舶種類多達上百種。其中既有散貨船、集裝箱船、油船這類用于大宗貨物運輸的船型，也有液化天然氣船、汽車滾裝船這類用于運輸專門品類的高端船型，還有用于運送旅客并提供休閑娛樂的客船、旅游船，以及用于工程作業的風機安裝船、油田服務的油田守護船等。此外，即使是同種船型，不同的噸位、載重量或船東，也會使得建造交付的船舶差異巨大，這也導致造船更多是定制化小批量（甚至單件）生產，而非大批量建造。而且，船舶根據不同的航區（如遠洋船舶、沿海船舶、近海船舶和內河船舶等），其船型及相應的設備配置也會有較大差別。

（3）自主配套不足

船舶是連接世界貨物運輸的主要載體，全球90%以上的貨物是由船舶運輸，船舶工業也是中國參與國際化競爭最早且最全面的行業之一。盡管我國在提升設備自主配套率方面投入了大量人力物力，設備自主配套能力近年來也有顯著提升，但絕大部分船舶設備的自主配套率仍不足30%；而與此同時，國外設備數據的開放性問題又對我國實現船上設備信息互聯提出了挑戰。

（4）產業相關方多源

遠洋船舶價值巨大。如1 艘1 萬標準箱的集裝箱船價值超過1 億美元，且除了傳統的自營船東外，還有船舶租賃、船舶管理、船舶保理等相關方參與到船舶運營之中。另外，遠洋船舶在世界各個港口之間運輸不同品類的貨物，又要與港口、海關、航道、貨主等多方互通信息。

（5）數字化基礎薄弱

與陸上產品相比，船舶數字化基礎相對薄弱，主要體現在以下幾方面：

① 船舶航行于大海，與外界通信難度較大，故對設備的可靠性要求很高。船東更傾向于使用成熟可靠的產品，而對于相對新興的數字化、電子化設備的接受程度較低。

② 船用設備開發周期長且價格高，但由于其需適應海上高鹽霧、高潮濕、易振動等復雜多變的環境，故也不適合直接移植使用陸上數字化設備。

③ 盡管國外船用設備廠商數字化程度較高，但也未達到陸上產品的水準，并且開放度不夠；國內船用設備廠商則因數字化基礎較差且研發需大量投入，故轉型意愿不足。

從上述分析可以看出，船舶行業實現智能化轉型升級需要付出更多努力、克服更多困難。若要獲得解鎖智能船舶發展的鑰匙，首先必須對智能船舶的內涵有清晰的理解和認識。

《智能船舶發展白皮書-遠洋船舶篇（2023）》[1]（下文簡稱“白皮書”）把智能船舶定義為：綜合運用感知、通信、控制、人工智能等先進信息技術，具備對復雜環境及自身狀態的自主感知、智能決策、多等級自動控制能力，比傳統船舶更加安全、經濟、環保、高效的新一代船舶。

具體而言，智能船舶在從出生到消亡的全生命周期（即從研發、設計、建造再到運營和拆解）活動中，都比傳統船舶具備更高的智能化水平和自主能力。其不是簡單的自動化，而是賦予了船舶人類思維的能力，能夠在復雜的環境和場景下進行自我學習并不斷進化分析決策和執行能力；此外，智能船舶也是其全生命周期的不同相關方在不同層次、維度上的數據、知識和模型的載體和集成平臺。

2 國際上對智能船舶的分級

雖然智能船舶已經持續研究了十幾年，但其發展進程（尤其是產業層面）仍處于初級階段，其中一部分重要原因是行業內缺乏對智能船舶分級的科學、標準定義。

分級評價可以幫助人們更客觀地認識和評價對象，促進各類對象的改進和提升，同時也可以為決策者和社會大眾提供參考，推進相關領域的規范化和發展，最終在業內形成統一認識和理解，推動相關技術的協調發展。如在交通領域，美國汽車工程師協會發布的自動駕駛汽車分級標準SAE J3016《標準道路機動車駕駛自動化系統分類與定義》[5]（見表1），就對自動駕駛汽車行業的發展起到了重要的跨行業推動與示范作用。

表1 SAE J3016 對自動駕駛汽車的分級與定義

雖然IMO、各大船級社對于智能船舶分級給出了自己的理解和定義，但由于各自關注領域的不同，行業內至今并沒有形成適用于智能船舶產業發展的統一分級方法和定義。

2.1 IMO MASS Code

IMO 在海上安全委員會第99 次會議上，提出有關MASS 的臨時性定義與分級[6]，見下頁表2。IMO 出于其職責和使命，將 MASS Code 分級更多聚焦于海上人命安全，主要是以“人員是否在船”和“船舶駕駛模式”作為分級標準，解決的是在其分級下確保不同自主水平的船舶航行和人員安全問題，重點研究目前的規范體系如何適應自主水面船的問題，而對于船舶自身智能化的水平卻關注較少。

表2 IMO 提出的有關MASS 的臨時性定義與分級

2.2 船級社規范

世界上各主要船級社先后發布了自己的智能船舶規范或相關指南，如中國船級社的《智能船舶規范》、日本船級社的《Guidelines for digital smart ships》、挪威 船 級 社 的《Class guideline for smart vessel》等；同時，各船級社還針對船舶的自主水平給出了各自的分級定義，參見圖1。

圖1 各船級社針對船舶自主水平所給出的分級定義

通過分析研究這些規范和指南，可見目前各船級社對于船舶自主水平分級大多聚焦在自主航行，而對于智能舶舶尚未形成整體上的分級定義，僅是以智能船舶附加標志來界定船舶所具備的智能功能；此外，對智能機艙、智能能效管理[7]等智能功能也沒有分級標準來評價其智能水平。

3 智能船舶的智能分級

智能船舶發展的十幾年，是不同國家、不同企業展現能力的十幾年，也是對于智能船舶不斷探索、不斷完善的十幾年。經過這十幾年的研究，船舶行業在智能船舶領域積累了大量成功經驗，形成了不少智能船舶方面的規范、指南和成果。不過正如前文所述，智能船舶分級至今仍未形成統一的標準，也未被船東所普遍認可和接受。如何通過合理分級來促進船舶工業智能化轉型升級，進而通過標準化的引領來實現智能船舶行業快速發展，便是本文的研究重點。

船舶是一個復雜的巨系統，要衡量船舶智能水平不可能僅僅局限在某一方面，而應該以系統工程的觀念，自頂而下對全船的智能水平進行統一的分級和評價。若某艘船雖具備了自主航行的功能，但其他方面（如設備運維、貨物裝卸等）還處于比較低級的智能水平，很難想象船東會接受這樣的智能船舶。組成船舶的各個子系統的智能水平應該基于應用場景和運營工況來設定并相互協調，如此才能保證智能船舶分級、最終實現的功能和呈現的智能化水平為船東所需。

基于系統工程的分級方法和流程如下：

（1）首先對船舶整體的智能化水平進行統一分級定義，確定智能船舶整體級智能水平，實現整體級智能分級定義；

（2）根據船東關心的不同船型典型應用場景或船舶運營工況，將智能船舶整體級智能水平分解為場景工況級智能水平，實現智能船舶場景工況級智能分級定義；

（3）針對每種應用場景和運營工況研究其相關的組成設備和系統，并對每種設備系統定義其需要具備的智能化水平和能力，將每個場景工況級智能水平分解為設備系統級智能水平，實現智能船舶設備系統級智能分級定義；

（4）針對每種設備和系統，根據實際需要研究其組成的零部件和元器件所需具備的智能化水平和能力，將每個設備系統級智能水平再分解為部件級智能化水平，從而實現智能船舶部件級智能分級定義。

白皮書按以上方法進行了智能船舶分級嘗試并作如下展示。

3.1 智能船舶整體級智能分級

白皮書綜合參考MASS 規則及各船級社的分級，并參照無人駕駛汽車的分級方法，考慮不同智能等級之間的漸近和遞進關系，將智能船舶分為L1 至L5 這5 個等級，并從系統控制、營運監視、失效應對、監管地點這4 個維度來界定船舶整體的智能水平，如表3 所示。

表3 智能船舶分級方法及相應的智能水平

白皮書主要從船舶自主控制程度以及人是否在控制回路的角度，按以上4 個維度進行分級分類。另外，智能船舶的整體智能水平還表現為2 個重要特征，即船舶數字化水平和系統自學習能力。數字化是自主化的基石，高水平的自主船舶離不開相匹配的船舶數字化支撐環境；而系統自學習能力則是體現智能化與自動化區別的關鍵要素。

表4 同樣按智能船舶分級（L1 至L5），對船舶數字化和系統自學習所需的能力進行分析和歸納。

表4 智能船舶等級及相應的數字化和系統自學習能力

3.2 智能船舶場景工況級智能分級

白皮書以遠洋船舶為目標對象，選取主力船型中最常用的航行、錨系泊和裝卸貨這3 個典型工況和應用場景，并對組成各場景工況的關鍵設備系統進行分解，如圖2 所示。

圖2 智能船舶場景工況級智能分級示意圖

不同的應用場景和運營工況因其功能實現與作用域的差異，對于不同的分級、場景工況級智能水平也會呈現較大的差異性，這也正是進行場景工況級智能分級的原因。

表5 重點對于航行、錨系泊這2 個場景工況進行示例說明。

表5 航行與錨系泊場景工況示例

3.3 智能船舶設備系統級及部件級的智能分級

白皮書根據選定的3 個應用場景和運營工況及其構成設備系統，各選擇1 種關鍵設備系統作為示例，通過描述該設備系統在不同分級下所需具備的自主能力來定義設備系統級智能分級。下頁表6 說明了航行工況下主推進系統在不同智能等級下所需具備的能力。不過，白皮書沒有給出進一步的部件級智能分級。

表6 航行工況下的主推進系統智能等級及相應能力

3.4 智能分級的定義

由于多種原因，白皮書并未完成對智能船舶分級的完整定義。這除了時間和篇幅受限等因素，更主要的是要形成行業共識的有價值且有助于行業發展的分級定義，需要行業內各優勢單位秉持開放合作的精神，依托各自的專業優勢和產業經驗，經過充分研討，才有可能形成。

4 結 語

對于智能船舶這一未來重要的產業競爭高地，只有深刻理解其內涵，充分認識船舶的專業性、復雜性，以及數字化轉型、智能化升級的艱巨性，同時融合最新的數字孿生、人工智能、大數據和機器人等技術，才能明晰智能船舶的發展方向并制定出適合中國船舶工業實際的智能船舶發展路徑,實現船舶業的第四次工業革命。同時，要重視智能船舶分級對推動行業發展的標準引領作用，集合行業內外力量盡快形成適應中國的智能船舶分級體系。這樣不僅可以幫助行業明確發展目標、優化行業資源、促進協同合作，還有助于中國在智能船舶的國際競爭中實現從跟跑、并跑邁向領跑。